晶体的生长机理及生长速度（连续生长）课件.ppt

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1、2.1.3晶体的长大3晶体的生长方式和速度晶体的生长方式，是指液相中原子向某个晶粒表面的堆砌方式。根据界面结构的不同，晶体可采取连续生长，侧向生长和从缺陷生长等方式;这三种生长方式相互联系又各具特征。8/12/202111）连续生长――粗糙界面的生长粗糙界面--原子只占50%左右的位置，存在50%左右的空位，可作为液相中原子向上堆砌的台阶。这种台阶不限于一层原子，甚至存在于几个原子层内。沉积到界面上的原子受到前方和侧面固态原子的作用，结合牢固且不易反弹或脱落，如图。晶体在生长过程中界面上的台阶始终存在（保持粗糙界面）因此，液体中的原子可以在整个界面上连续沉积，促使界面便连续、均

2、匀地垂直生长。这种生长被称为连续生长、垂直生长或正常生长。8/12/20212图2-14粗糙界面上原子的堆砌过程返回8/12/20213由于一个原子到达界面后不因弹性碰撞而被弹回几率AF→1，故生长中几乎不存在热力学能障。由于界面的多层结构和过渡性质，其动力学能障也比较小。因此生长过程易为较小的动力学过冷所驱动，并能得到较高的生长速度。绝大多数金属定量：连续生长速度R与ΔTK关系？8/12/20214如图2,当固/液界面温度低于平衡熔点温度Tm时，原子从液相跳向固相界面所需活化能为ΔGb，则原子越过势垒ΔGb从液态变为固态的频率υLS为：υ0—原子的振动频率。图2固/液界面的自

3、由能8/12/20215如果原子从固相界面反弹回液相液相中所要克服的势垒是ΔGb＋ΔGm。原子反弹回液相的频率υSL示为：只有当原子由液态变为固态的频率大于由固态变为液态的频率时，晶体才能长大。因此，原子沉积与反弹频率之差，即净频率为8/12/20216由于式中ΔTK为动力学过冷度。当KT值很大，而ΔGm很小时，净频率表达式可以按Taylor公式展开，整理得8/12/20217如果原子在界面上沉积的概率处处相等，并且沉积一层原子使界面向前推进的距离为a，则界面连续长大的速度为:由于因此，粗糙界面的连续长大速度为式中μ1是连续长大系数。8/12/20218粗糙界面连续长大方式的特

4、点：(1)当液态原子的扩散系数DL随温度变化不大时，晶体长大速度R与动力学过冷度ΔTK呈线性关系，如图2-7(a)。其长大所需的动力学过冷很小，一般为ΔTK≈0.01~0.05K。一般μ1≈1～100cm/(s•K)，因此在很小的过冷度下就可以获得极高的生长速度。实际铸锭凝固时的晶体生长速度约为10-2cm/s，由此推算出的动力学过冷度ΔTK≈10-2～10-4K，小到无法测量的程度。8/12/20219图2-7连续长大速度R与过冷度ΔTK的关系(a)非粘性金属液体(b)氧化物或有机物返回1返回28/12/202110(2)实质上：过冷度的大小是由界面附近的温度和成分所决定的。

5、由于这种生长机理的界面原子迁移速度极高，故晶体的生长速度最后将由传热过程或传质过程所决定。即由液相原子的扩散能力和界面导出结晶潜热的能力所决定。前者决定了液体中原子向界面上跳跃沉积的速度，后者决定了界面前沿始终保持一个较大动力学过冷度ΔTK。在DL变化不大时，通过增大过冷度ΔTK，可获得很大的长大速度。金属的结晶潜热较低，散热条件较好，溶质扩散速度也较高，因此易于保持较高的生长速度。8/12/202111(3)当DL值随温度变化很大时，如氧化物和有机化合物等，在某一过冷度ΔTK时，晶体长大速度达到最大值；继续增大过冷度，晶体长大速度反而下降如图2-7(b)所示。(4)粗糙界面连

6、续长大的结果，淹没了晶体的棱角，使晶体呈现光滑的外表面。8/12/202112(1)生长机制假定光滑界面为理想的无缺陷完整晶面。这种晶面有显著的晶体学特性，它一般都是特定的密排面，晶面内原子排列紧密。固、液两相的结构和键合情况差别很大，界限非常分明。从液态转变为固态要在很窄的过渡区域内急剧完成。液相中的原子要在完整晶面上直接堆砌很困难。由于缺少现成的台阶作为接纳新原子的角落，堆砌上去的原子也很不稳定，极易脱落或弹回因此不可能像粗糙界面那样借助于连续生长机制进行生长。2）二维形核生长机理――完整平整界面（光滑界面）的生长8/12/202113当光滑界面为完整的界面时，只能依靠能量

7、起伏使液态原子:首先在界面上形成单原子厚度的二维晶核，然后利用其周围台阶沿着界面横向扩展，直到长满一层后，界面就向液相前进了一个晶面间距。这时，又必须利用二维形核产生新台阶，才能开始新一层的生长，周而复始地进行。界面的推移具有不连续性，并且有横向生长的特点。台阶沿界面的运动是这种生长机理的基本特征。又称侧面生长、沿面生长或层状生长。8/12/202114图2-8光滑界面侧向生长方式8/12/202115特点：二维形核控制界面生长过程。二维形核的热力学能障较高；由于界面的突变性质，其动力学能障